RU174220U1 - Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел - Google Patents
Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел Download PDFInfo
- Publication number
- RU174220U1 RU174220U1 RU2016146720U RU2016146720U RU174220U1 RU 174220 U1 RU174220 U1 RU 174220U1 RU 2016146720 U RU2016146720 U RU 2016146720U RU 2016146720 U RU2016146720 U RU 2016146720U RU 174220 U1 RU174220 U1 RU 174220U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- ferroelectric
- polar
- phase
- local
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области термообработки материалов и может быть использована в микро- и оптоэлектронике для создания электронных компонент. Полезная модель представляет собой устройство для локального лазерного отжига сегнетоэлектрических пленок, имеющих фазовый переход неполярная фаза - полярная фаза, состоящее из лазера, фокусирующего объектива и автоматизированной подвижки для крепления образца, особенностью которого является использование фемтосекундного импульсного излучения с длиной волны, попадающей в область прозрачности пленки и в область поглощения нижележащего подслоя для локального нагрева. Полезная модель обеспечивает возможность создания локальных микро- и наноструктур полярной (сегнетоэлектрической) фазы в неполярном окружении с размерами полярной фазы менее дифракционного предела.
Description
Полезная модель относится к области термообработки материалов, а также может быть использована в микро- и оптоэлектронике для создания электронных компонент. Фаза отжига обязательна для изготовления сегнетоэлектриков, так как именно в процессе отжига происходит кристаллизация перовскитной (сегнетоэлектрической) фазы. Обычно при изготовлении сегнетоэлектрических пленок производится изотермический отжиг в муфельной печи, который задействует весь объем пленки. Однако в настоящее время все более актуальными становятся методики локального отжига (локальной кристаллизации) для получения сегнетоэлектрических наноструктур.
Из уровня техники известен способ термообработки материалов без разрушения поверхности с использованием лазера [патент RU 2345148 С2, опубл. 27.01.2009]. Изобретение заключается в воздействии на обрабатываемый материал непрерывного лазерного излучения, сфокусированного в световое пятно в виде отрезка, перемещаемого по заданной траектории с постоянной или переменной скоростью. Такая обработка применяется как для металлов, так и для неметаллов, однако имеет существенный недостаток. Использование в технологии непрерывного лазерного излучения не позволяет получить прецизионные бездефектные микроструктуры.
Наиболее близкое техническое решение - отжиг диэлектрических пленок, обладающих переходом неполярная-полярная фаза [патент US 5310990 А, опубл. 10.05.1994]. Оно заключается в использовании непрерывного лазера, а также импульсного эксимерного наносекундного лазера. Недостатком известного технического решения является длина волны эксимерного лазера (351 нм), которая попадает в край области поглощения используемой пленки цирконата-титаната свинца (PZT), что затрудняет осуществление фазового перехода в объеме материала. Кроме этого, модовая структура пятна эксимерных лазеров не позволяет локализовать отжиг в субмикрометровой области.
Также близким к предлагаемому техническому решению является способ локального формирования сегнетоэлектрической пленки PZT [заявка на патент US 20040080991 А1, опубл. 29.04.2004]. В соответствии с предложенным способом, при воздействии лазерного излучения на аморфную оксидную пленку, на поверхности пленки образуются микрокристаллические зародыши. Кристаллизация оксида осуществляется воздействием на структуру импульсного эксимерного лазера (248 нм) в поглощающей области спектра с дальнейшим образованием микрокристаллических сегнетоэлектрических областей.
Для устранения недостатков метода может быть использован метод, предложенный в патенте [патент RU 2338284 С1, опубл. 10.11.2008] - для сегнетоэлектрических пленок нанесение металлического подслоя, использующегося в качестве поглощающего слоя для излучения. Однако в патенте указано устройство, использующее в качестве активного слоя всю поверхность пленки PZT.
В вышеуказанных патентах в общем случае размер формируемых областей ограничен дифракционным пределом. Для преодоления дифракционного предела используется метод пространственного формирования излучения с помощью фазовой пластинки [патент US 9285593 В1, опубл. 15.03.2016]. В предложенном методе проекция излучения имеет кольцеобразную форму, в центре кольца электромагнитное поле отсутствует. При использовании кольцеобразной формы взаимодействие излучения с поверхностью образца происходит только в области кольца. Незасвеченная область в центре кольца имеет размеры меньше дифракционного предела.
Технический результат предлагаемой модели заключается в создании устройства для получения локальных микро- и наноструктур полярной (сегнетоэлектрической) фазы в неполярном окружении. Фемтосекундное лазерное излучение с высокой плотностью мощности воздействует на аморфную (с пирохлорными включениями) пленку, в результате чего в области воздействия лазерного пятна формируется (кристаллизуется) локальная область со структурой перовскита. Минимальный размер полученных микроструктур обычно определяется диаметром лазерного пятна и длины волны излучения, однако в зависимости от режимов получения могут создаваться элементы с меньшими размерами, чем длина волны используемого излучения.
Технический результат достигается устройством для локального лазерного отжига сегнетоэлектрических пленок, имеющих фазовый переход неполярная фаза - полярная фаза, состоящим из лазера, фокусирующего объектива и трехкоординатной платформы для позиционирования образца, при этом особенностью устройства является использование фемтосекундного импульсного излучения с длиной волны, попадающей в область прозрачности пленки и в область поглощения нижележащего подслоя для локального нагрева.
В предпочтительном варианте в устройстве используется фазовращающая пластина для получения кольцеобразной аксиально-симметричной формы лазерного луча.
В еще одном предпочтительном варианте особенностью устройства также является перемещение лазерного луча относительно пленки во время отжига, в результате чего формируются протяженные микроструктуры заданных форм.
Техническая задача предлагаемой полезной модели состоит в создании устройства для отжига локальных сегнетоэлектрических областей на поверхности пленок с разрешением, превышающим дифракционный предел. Поставленная цель достигается путем проведения технологического процесса в атмосферной среде, в результате которой на поверхности пленки PZT образуются заданные сегнетоэлектрические структуры. Обычно использование фемтосекундного лазерного излучения предполагает гауссово распределение его интенсивности. Для перехода неполярная фаза - полярная фаза, требуется некоторая минимальная энергия, ниже которой фазового перехода не происходит. Благодаря пороговому характеру такого процесса и гауссовому профилю луча, полярная фаза образуется подбором пиковой мощности лазерного излучения в соответствии с пороговым значением энергии, необходимой для фазового перехода. В отличие от такой схемы предлагается использовать кольцеобразную форму лазерного луча. Применяя такую форму луча и строго определенную (высокую) мощность излучения в центре пучка появляется сегнетоэлектрическая фаза с разрешением выше дифракционного предела. В этом случае, в области кольцеобразного воздействия условия для появления сегнетоэлектрической фазы будут неоптимальными (перегрев и абляция), а в центре кольца оптимальными (несмотря на отсутствие прямого воздействия излучения в центре кольца, температура в этой области будет обуславливаться теплопередачей от окружающей кольцеобразной области).
Кольцеообразная форма пятна достигается пропусканием излучения через спиральную фазовую пластину. Структура фазовой пластины состоит из спиральных ступенек, обеспечивающих изменение фазы от 0 до 2 pi. Входное излучение представляет собой коллимированный пучок фундаментальной моды ТЕМ00, который преобразуется а аксиально-симметричную моду ТЕМ01. В результате форма луча при нормальном проецировании на экран представляет с собой кольцо с малым отверстием в центре.
Используемый для отжига пленки на платинизированной подложке одномодовый фемтосекундный лазер с длиной волны 800 нм, попадает в область прозрачности пленки и в то же время в область поглощения платины. Сфокусированное лазерное излучение с плотностью мощности, достаточной для отжига структуры, первоначально воздействует на платиновый подслой. Нагрев слоя PZT происходит от слоя платины к поверхности, что позволяет локализовать область кристаллизации не только на поверхности пленки, но и в объеме. В результате воздействия пленка локально нагревается выше температуры фазового перехода и происходит кристаллизация. Предельная необходимая плотность мощности импульсного лазерного излучения рассчитывается с помощью решения обратной задачи теплопроводности. Описание полезной модели поясняется фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 показаны распределения интенсивностей пучка фемтосекундного лазера, где 1 - луч с гауссовым распределением, применяемый для «стандартного» лазерного отжига, 2 - кольцеобразная форма луча. При выходе из фазовращательной пластинки распределение интенсивности луча описывается специальной функцией Лагерра-Гаусса.
На фиг. 2 изображена схема стенда для локального лазерного отжига. Установка жестко фиксируется на оптическом столе с использованием в качестве источника излучения фемтосекундного титан-сапфирового лазера 3 с длиной волны 800 нм, длительностью импульса 100 фс и частотой повторения импульсов 80 МГц. Лазерный луч на выходе из лазера имеет гауссову форму распределения интенсивности и заданную среднюю мощность, составляющую 20 мВт. Устройство формирования кольцеобразной формы луча состоит из линз 4, 6, 7, фокусное расстояние каждой из которых составляет 5 см, и фазовращательной пластины 5. Диаметр луча увеличивается линзой 4, после прохождения фазовой пластины излучение коллимируется линзами 6 и 7.
Фокусирующая система состоит из закрепленного на держателе объектива 8. Трехкоординатная платформа 9 предназначена для точного позиционирования регионов исследуемого образца. За счет жестко закрепленной фокусирующей системы и фиксированной подвижки обеспечивается нормальное падение сфокусированного луча к плоскости образца.
Claims (3)
1. Устройство для локального лазерного отжига сегнетоэлектрических пленок, имеющих фазовый переход неполярная фаза - полярная фаза, состоящее из лазера, фокусирующего объектива и трехкоординатной платформы для позиционирования образца, особенностью которого является использование фемтосекундного импульсного излучения с длиной волны, попадающей в область прозрачности пленки и в область поглощения нижележащего подслоя для локального нагрева.
2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что используется фазовращающая пластина для получения кольцеобразной аксиально-симметричной формы лазерного луча.
3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что его особенностью является перемещение лазерного луча относительно пленки во время отжига, в результате чего формируются протяженные микроструктуры заданных форм.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016146720U RU174220U1 (ru) | 2016-11-29 | 2016-11-29 | Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016146720U RU174220U1 (ru) | 2016-11-29 | 2016-11-29 | Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU174220U1 true RU174220U1 (ru) | 2017-10-09 |
Family
ID=60041076
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016146720U RU174220U1 (ru) | 2016-11-29 | 2016-11-29 | Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU174220U1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2071150C1 (ru) * | 1992-05-12 | 1996-12-27 | Институт физики полупроводников АН Украины | Способ создания сверхпроводящих областей в материале на основе металлоксидных соединений |
RU2306631C2 (ru) * | 2004-11-30 | 2007-09-20 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" (НИФХИМ им. Л.Я. Карпова) | Способ импульсно-лазерного получения тонких пленок материалов с высокой диэлектрической проницаемостью |
US9285593B1 (en) * | 2013-12-20 | 2016-03-15 | AdlOptica Optical Systems GmbH | Method and apparatus for shaping focused laser beams |
-
2016
- 2016-11-29 RU RU2016146720U patent/RU174220U1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2071150C1 (ru) * | 1992-05-12 | 1996-12-27 | Институт физики полупроводников АН Украины | Способ создания сверхпроводящих областей в материале на основе металлоксидных соединений |
RU2306631C2 (ru) * | 2004-11-30 | 2007-09-20 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" (НИФХИМ им. Л.Я. Карпова) | Способ импульсно-лазерного получения тонких пленок материалов с высокой диэлектрической проницаемостью |
US9285593B1 (en) * | 2013-12-20 | 2016-03-15 | AdlOptica Optical Systems GmbH | Method and apparatus for shaping focused laser beams |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Lei et al. | Ultrafast laser applications in manufacturing processes: A state-of-the-art review | |
Albu et al. | Periodical structures induced by femtosecond laser on metals in air and liquid environments | |
Breitling et al. | Fundamental aspects in machining of metals with short and ultrashort laser pulses | |
CN106457467B (zh) | 用于将飞秒或皮秒激光束掩模投射到衬底表面上的设备 | |
JP4465429B2 (ja) | レーザ加工方法 | |
US20110121206A1 (en) | Femtosecond laser-induced formation of submicrometer spikes on a semiconductor substrate | |
TWI579901B (zh) | 用於低溫多晶矽結晶的短脈衝光纖雷射 | |
Luther-Davies et al. | Picosecond high-repetition-rate pulsed laser ablation of dielectrics: the effect of energy accumulation between pulses | |
Zayarny et al. | Nanoscale boiling during single-shot femtosecond laser ablation of thin gold films | |
US20150158116A1 (en) | Method and apparatus for internally marking a substrate having a rough surface | |
Chen et al. | A theoretical analysis and experimental verification of a laser drilling process for a ceramic substrate | |
Pavelyev et al. | Fabrication of high-effective silicon diffractive optics for the terahertz range by femtosecond laser ablation | |
WO2019029535A1 (zh) | 一种利用脉冲激光制备非晶合金的装置、方法及应用 | |
Li et al. | Comparison between single shot micromachining of silicon with nanosecond pulse shaped IR fiber laser and DPSS UV laser | |
RU174220U1 (ru) | Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел | |
Chkalov et al. | Thin film elements design: software and possibilities of femtosecond laser techniques | |
US20240335909A1 (en) | Method of and apparatus for cutting a substrate or preparing a substrate for cleaving | |
CN110385530A (zh) | 一种准分子激光刻蚀氟化钙晶体形成周期性条纹的方法 | |
Julian et al. | Reduction in heat affected zone and recast layer in laser materials processing using a photon sieve lens | |
Moon et al. | Heat transfer and phase transformations in laser annealing of thin Si films | |
RU2634338C1 (ru) | Способ и устройство для лазерной резки материалов | |
Lang et al. | High-throughput direct laser interference patterning: new configurations and applications | |
Garasz et al. | The Effect of Process Parameters in Femtosecond Laser Micromachining. | |
Voisiat et al. | How to improve throughput in direct laser interference patterning: Top-hat beam profile and burst mode | |
US9190278B2 (en) | Device and method for improving crystallization |